AULA 09 INTRODUÇÃO AOS TRANSDUTORES

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1 AULA 09 INTRODUÇÃO AOS TRANSDUTORES Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Valner Brusamarello

2 Transdutores Definição: SENSOR: [VIM 2008] é um elemento de um sistema de medição que é diretamente afetado por um fenômeno, corpo ou substância que contém a grandeza a ser medida. Pode-se citar como exemplos: o elemento de platina de um termômetro do tipo RTD, rotor de uma turbina para medir vazão, tubo de Bourdon de um manômetro, bóia de um instrumento de medição de nível, fotocélula de um espectrofotômetro, entre outros. TRANSDUTOR: é um dispositivo que converte um sinal de uma forma física para um sinal correspondente de outra forma física. [VIM2008] é um dispositivo utilizado em medições, que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação específica com a grandeza de entrada. Pode-se citar como exemplos: termopar, transformador de corrente, extensômetro de resistência elétrica (strain-gage), eletrodo de ph, entre outros. Caracterização em relação a função Transdutores Sensores: detectam as variáveis do processo e as transformam para posterior processamento Transdutores Atuadores: alteram as variáveis do processo estímulo Transdutor resposta

3 Transdutores Sensores Humanos: Toque Grande parte do cérebro é reservada aos dedos e lábios

4 Transdutores Sensores Humanos: Visão Consider the eye s sensor, the retina. The retina is almost the same size (32mm in diameter) as the sensor on a full frame camera (35mm in diameter). After that, though, almost everything is different. The first difference between the retina and your camera s sensor is rather obvious: the retina is curved along the back surface of the eyeball, not flat like the silicon sensor in the camera. The curvature has an obvious advantage: the edges of the retina are about the same distance from the lens as the center. On a flat sensor the edges are further away from the lens, and the center closer. Advantage retina it should have better corner sharpness. The human eye also has a lot more pixels than your camera, about 130 million pixels (you 24- megapixel camera owners feeling humble now?). However, only about 6 million of the eye s pixels are cones (which see color), the remaining 124 million just see black and white. But advantage retina again. Big time. But if we look further the differences become even more pronounced

5 Transdutores Sensores Humanos: Audição Células ciliares na Cóclea

6 Transdutores Sensores Humanos: Audição MEMBRANA DO TÍMPANO 50 a 90 mm 2 (aproximadamente circular) 0.1 mm de espessura Deslocamento mínimo detectável: 10-8 mm Deslocamento com desconforto: 10-1 mm A CÓCLEA Resposta em freqüência 50Hz to 17kHz (18-25 anos) Resposta acima de 10kHz abaixo de: 7dB (30-39 anos) 13dB (40-49 anos) 35dB (50-59 anos) O diâmetro do átomo de hidrogênio é de 10-7 mm Os microfones mais sensíveis são capazes de medir deslocamentos de 10-7 mm.

7 Transdutores Sensores Industriais Posição Velocidade Aceleração/Vibração Força/Pressão Tensão e Corrente Elétrica Temperatura Densidade Viscosidade PH...

8 Transdutor Sensor Características desejáveis: Devem interferir minimamente com as variáveis do processo ao monitorá-las Proceder a conversão da informação de uma natureza para outra da forma mais fiel, repetitiva e monotônica possível Transdutor Sensor Ideal Não extrai energia do mensurando Possui dimensão nula Não possui massa Não recebe energia de nenhuma fonte

9 Classificação de Transdutores Sensores Passivos Sensores passivos geram diretamente um sinal elétrico em resposta a um estímulo. Não emitem radiação. Retiram energia do processo estímulo Transdutor resposta Ativos Sensores ativos requerem ser excitados por uma fonte externa de energia para operarem. Esse sinal de excitação é modificado pelo sensor, em função do estímulo (mensurando), para produzir o sinal de saída. Podem retirar ou inserir energia no processo estímulo Transdutor resposta excitação

10 Transdutores Sensores Passivos e ativos

11 Classificação de Transdutores Sensores Simples Um transdutor é dito simples quando possui apenas um estágio de transdução entre entrada e saída Composto grandeza física de entrada Transdutor grandeza física de saída Um transdutor é dito composto quando possui mais de um estágio de transdução entre entrada e a saída grandeza física de entrada Estágio A Transdutor Estágio B Estágio C grandeza física de saída grandezas físicas intermediárias

12 Transdutores Sensores Simples e Compostos Simples (detector de proximidade indutivo Produz uma variação de tensão elétrica quando algum material ferromagnético se movimenta próximo ao sensor (bobina em conjunto com um imã) Composto (célula de carga) Estágio 1: Elemento Elástico - converte força ou pressão em deformação mecânica Estágio 2: Extensômetros de resistência elétrica convertem deformação mecânica em variação de resistência elétrica Estágio 3: Converte variação de resistência em variação de tensão elétrica

13 Princípios Físicos dos Transdutores Sensores Efeitos Mecânicos Deslocamento e Velocidade (molas, diafragmas, bimetais, sistemas massa mola) Efeitos Elétricos Variação de Resistência Efeitos Termo-resistivos, Mecano-resistivos, Eletro-resistivos, Fotocontutivos. Variação de Capacitância Variação de Indutância Princípio do Gerador Elétrico (lei de Faraday), Efeitos Fotoelétricos Princípio do Pirômetro de Radiação, Efetito Fotovoltáico,... Efeitos Termelétricos Efeito Peltier, Efeito Thompson, Efeito Seebeck Efeito Piezelétrico...

14 Princípios Físicos dos Transdutores Sensores Efeitos de Deslocamento e Deformações Mecânicas Relativas Deslocamento ou mudança de dimensão em função da temperatura Mudança na pressão de gás ou vapor confinado em função da temperatura Fusão, amolecimento ou vaporização de materiais a temperaturas fixas As leis de Newton do movimento e da atração gravitacional A lei de conservação da energia A lei de conservação da quantidade de movimento linear e angular A lei de Hooke Em um material elástico, a deformação relativa é proporcional a tensão mecânica aplicada Os princípios de equilíbrio estático Teorema de Bernoulli Quando a velocidade de um fluído aumenta, sua pressão estática diminui e viceversa Princípio de Arquimedes Lei de Pascal

15 Transdutores Sensores Mecânicos Chave Mecânica Empregada como Sensor de Proximidade, detectando a presença ou ausência de um objeto Operações liga/desliga Tipos Normalmente Aberto Normalmente Fechado Existem em uma grande variedade de formas para uma diversidade de aplicações Desgaste mecânico dos componentes, transitório de contato Comum Atuador Normalmente Fechada Normalmente Aberta

16 Transdutores Sensores Mecânicos Função de Transferência Teórica Resistência de de entre terminais () () 0 Desligada Transitório Ligada Posição do do Cursor Atuador

17 Exemplos de detectores de Proximidade tipo Chaves Mecânicas

18 Aplicações e Usos Características de Chaves Mecânicas Fácil de integrar em máquinas de qualquer tipo Requer Contato Tensão de operação: verificar limites, CA, CC Muito Robustas (a prova de explosão, se necessário) Normalmente empregadas como: limitadores indicador de presença ou ausência indicar de porta aberta ou fechada

19 Exemplo do Uso de Chaves Mecânicas

20 Transdutores Resistivos Fornecem uma resistência em resposta ao estímulo Potenciômetros Posição do cursor Extensômetros Deformação linear Termoresistores Temperatura Fotocondutores Intensidade Luminosa

21 Transdutores Potenciométricos Fornecem uma resistência em resposta a posição do cursor Posição do Cursor Potenciômetro Resistência

22 Transdutores Potenciométricos Função de Transferência Teórica A resistência é diretamente proporcional ao comprimento do condutor R R x R x l x A kl A R kr x para 0 k 1

23 Transdutores Potenciométricos Potenciômetros Rotativos Respondem a posição angular do cursor Terminais folhadas a ouro e barra de continuidade Encapsulamento Bucha de Bronze Elemento Resistivo Haste de Aço Inoxidável Contato Deslizante de Metal Precioso

24 Transdutores Potenciométricos Potenciômetros Lineares Respondem a posição linear do cursor Elemento Resistivo Terminais Folhados a Ouro Amortecedor Trilho guia Haste de Aço Inoxidável Contato Deslizante de Metal Precioso Modificação da Haste

25 Transdutores Potenciométricos Tipos de Potenciômetros Fio O contato desliza sobre um enrolamento de fio de Níquel-Cromo O fio tende a se danificar, mal contato, variações com a temperatura Cerâmico O contato desliza sobre uma trilha de cerâmica resistiva Melhor do que os potênciometros de fio Filme Plástico Alta resolução Alta durabilidade e baixa sensibilidade a temperatura

26 Transdutores Potenciométricos

27 Transdutores Potenciométricos Exemplo de Aplicação Medindo a posição do eixo de um servo-posicionador Referência (Set Point) + Controlador Motor Redução Vref _

28 Transdutores Potenciométricos Exemplos de Aplicação Sistema de Direção Automática Uma saída analógica determina com precisão a posição angular do eixo da barra de direção, utilizando um sistema que integra um conjunto de redução mecânica e um sensor potenciométrico de filme resistivo O sensor fornece um sinal ao microprocessador para que este detecte e corrija qualquer desvio entre o curso atual e o desejado

29 Transdutores Potenciométricos Exemplos de Aplicação Sistema de Posicionamento de Bancos de Automóveis Um sistema integrado contendo os posicionadores e sensores potenciométricos de posição para as três direções de ajuste da poltrona

30 Transdutores Potenciométricos Exemplos de Aplicação Sistema de Medida de Posição de Pedal em Máquinas Pesadas Uma saída analógica determina a posição do pedal a medida que este pressiona eixo do sensor potenciométrico linear de filme resistivo O sensor fornece um sinal ao microprocessador para que este processe e determine as ações necessárias como por exemplo aumentar a injeção de combustível, frear, etc...

31 Transdutores Potenciométricos Exemplo de Condicionamento Normalmente empregado como Divisor de Tensão Normalmente empregado como Divisor de Vcc R3 Tensão Circuito Completo R2 U2 TL431 P1 + Vo V in R V in R R1 U1 OPAMP5 Vout Vout Fonte de Referência Seguidor de Tensão (Buffer)

32 Transdutores Potenciométricos

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